天文學(xué)家新發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量相當(dāng)于100萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的超大黑洞或在蘇醒,！

前段時(shí)間,，歐洲南方天文臺(tái)和智利千禧天體物理研究所的天文學(xué)家報(bào)道稱，人類可能首次觀測(cè)到星系中心超大質(zhì)量黑洞的蘇醒過(guò)程,。

這個(gè)超大質(zhì)量黑洞位于處女座上一個(gè)橢圓星系的中心,，距離地球3億光年，質(zhì)量相當(dāng)于100萬(wàn)個(gè)太陽(yáng),。在此前幾十年的觀測(cè)中,，它一直處于平靜的休眠狀態(tài)。從2019年12月開(kāi)始,，它變得異?；钴S，并持續(xù)到現(xiàn)在,。該發(fā)現(xiàn)以“一個(gè)百萬(wàn)倍黑洞質(zhì)量的蘇醒”為題，刊登在《天文與天體物理學(xué)》科學(xué)雜志上,。

△星系SDSS 1335+0728核心明亮起來(lái),。

黑洞是什么？

黑洞是宇宙中極端引力的產(chǎn)物,。?有質(zhì)量的物體普遍對(duì)外界存在著一種吸引力量,，即萬(wàn)有引力。質(zhì)量大的天體通過(guò)自身強(qiáng)大的引力,，可以將周圍的物體束縛在其附近,，物體若要逃脫該天體的引力束縛，需要具備更快的速度,。例如,，在地球表面發(fā)射一枚火箭，當(dāng)火箭速度超過(guò)每秒11.2千米,，就可以擺脫地球引力束縛進(jìn)入太空,。天體對(duì)周圍產(chǎn)生的引力越強(qiáng)，要離開(kāi)它所需要的速度就越快,。

如果一個(gè)天體的引力足夠強(qiáng)大,，以至于連宇宙中運(yùn)動(dòng)速度最快的光都無(wú)法從中逃離出來(lái)，它就會(huì)被稱為黑洞,。

要產(chǎn)生這樣強(qiáng)的引力效應(yīng),，需要質(zhì)量很大而半徑很小的天體。在我們的宇宙中,，一些大質(zhì)量的恒星經(jīng)過(guò)演化,，最后會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞，這種黑洞的質(zhì)量通常是太陽(yáng)質(zhì)量的幾倍到幾十倍,，而在星系的中心,，通常還存在著一個(gè)百萬(wàn)到百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞,。這次，天文學(xué)家研究的就是在一個(gè)星系中心的超大質(zhì)量黑洞,。

△黑洞概念圖,。

既然黑洞里的光無(wú)法逃逸出來(lái)，那么我們?cè)趺粗浪拇嬖谀?？確實(shí),，我們無(wú)法直接看到黑洞自身，但黑洞對(duì)外界產(chǎn)生的強(qiáng)大引力卻會(huì)暴露它的存在,。通過(guò)跟蹤黑洞對(duì)外界產(chǎn)生的影響,，可以捕獲到黑洞的蹤跡。例如,，一項(xiàng)獲得2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)成果,，就是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)到銀河系核心區(qū)域的許多恒星都在圍繞中心一個(gè)位置繞轉(zhuǎn)，并由此推算出那里應(yīng)該存在一個(gè)質(zhì)量很大的黑洞,。

△銀河系核心區(qū)域的恒星圍繞著中心一點(diǎn)繞轉(zhuǎn),。

黑洞的“休眠”與“活躍”

物體繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生向外的離心力，抵抗了黑洞向內(nèi)的引力,，從而達(dá)到平衡,，物體就不會(huì)掉入黑洞。這與月球重復(fù)繞地球旋轉(zhuǎn)而不會(huì)掉入地球是同樣的道理,。在這種情況下,，黑洞與周圍的物質(zhì)保持“相安無(wú)事”，黑洞周圍是一片平靜的狀態(tài),，從觀測(cè)者視角看,，此時(shí)的黑洞像是處在休眠狀態(tài)。

物質(zhì)掉落黑洞的過(guò)程,，會(huì)釋放巨大的引力能,，并最終通過(guò)各種能量形式輻射到宇宙空間。這個(gè)過(guò)程所輻射的巨大能量,，甚至可以超過(guò)整個(gè)星系所有恒星輻射的總和,，使得星系核心非常明亮。此時(shí)的黑洞,，正處在吞噬周圍物質(zhì)的活躍狀態(tài),。

△星系中心黑洞吞噬周圍外界物質(zhì)，并向外釋放能量,。

目前,，“休眠”和“活躍”這兩種狀態(tài)的黑洞，都已被大量觀測(cè)到,。但是,，這兩種狀態(tài)的切換過(guò)程還沒(méi)有被明確觀測(cè)到,。

星系SDSS 1335+0728新發(fā)現(xiàn)

2019年12月，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)星系SDSS 1335+0728的中心區(qū)域非常明亮,。起初,，他們以為那只是一個(gè)普通的處于活躍狀態(tài)的超大質(zhì)量黑洞的吸積現(xiàn)象，然而,，回顧過(guò)去20年的觀測(cè)數(shù)據(jù),，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它活躍的跡象，也就是說(shuō),，這個(gè)超大質(zhì)量黑洞過(guò)往一直是“休眠”狀態(tài),，直到近些年才開(kāi)始“活躍”。

從2019年之后,，星系SDSS 1335+0728一直保持著活躍黑洞的輻射特征,。對(duì)于這一不同尋常的現(xiàn)象，天文學(xué)家試圖給出合理的解釋,，目前可能性較大的解釋有以下兩種,。

1

對(duì)恒星的吞噬

當(dāng)一顆恒星運(yùn)行到距離星系中心黑洞過(guò)近的位置時(shí)，會(huì)被黑洞的強(qiáng)大引力撕裂,，拉伸成細(xì)長(zhǎng)的“面條”結(jié)構(gòu)，并逐漸掉落到黑洞中,。這個(gè)過(guò)程通常伴隨著短暫的能量釋放,，使得原本沉寂的星系中心會(huì)由此突然變亮，這種天文現(xiàn)象通常被稱為“潮汐瓦解事件（TDE）”,，之所以這樣命名,，是因?yàn)檫@一過(guò)程的原理類似于我們地球上海水的潮汐現(xiàn)象。

我們知道,，引力的大小隨著距離的增大而減小,，地球上不同位置的海水到月球的距離不同，距離月球較近的海水受到的引力較大,，而距離月球較遠(yuǎn)的海水受到的引力較小,。這種引力差，導(dǎo)致整個(gè)海洋產(chǎn)生形變,，引發(fā)海水漲落,，從而出現(xiàn)我們所看到的潮汐現(xiàn)象。

同樣地,，黑洞附近的恒星,，其不同位置受到的黑洞引力大小也不相同。恒星距離黑洞越近,，這種引力差就越明顯,。當(dāng)恒星過(guò)于靠近黑洞時(shí),，強(qiáng)大的引力差可以超過(guò)恒星自身的束縛力，從而將恒星撕裂開(kāi)來(lái),，被撕裂的恒星物質(zhì)逐步落入黑洞,，并發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。若在此時(shí)進(jìn)行觀測(cè),，會(huì)發(fā)現(xiàn)星系中心突出變亮,。

△超大質(zhì)量黑洞撕裂恒星的潮汐瓦解過(guò)程。

近些年,，潮汐瓦解事件（TDE）已經(jīng)在天文觀測(cè)中被多次發(fā)現(xiàn),。那么，此次星系核心的異常變亮現(xiàn)象,，能否用“潮汐瓦解”來(lái)解釋呢,？

天文學(xué)家分析發(fā)現(xiàn)，它在幾個(gè)方面并不符合一個(gè)典型的潮汐瓦解事件（TDE）特征,。也許,，這是一次異常緩慢的潮汐瓦解事件（TDE）。例如,，被黑洞撕裂的不是一顆恒星,，而是附近一個(gè)較小的衛(wèi)星星系。如果這確實(shí)是一次潮汐瓦解事件（TDE）,，那么它會(huì)是人類所知的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),、亮度最微弱的“潮汐瓦解”。

2

黑洞在蘇醒

本次觀測(cè)到的星系SDSS 1335+0728特性,，和其他正處在活躍狀態(tài)的星系核并無(wú)太大差異,。加利福尼亞理工學(xué)院天文系的研究教授馬修·格雷漢姆猜測(cè)，或許這個(gè)星系沒(méi)有什么特殊性,，我們只是恰巧捕捉到了一個(gè)特別時(shí)刻,。

如果把星系中心的超大質(zhì)量黑洞比作一只巨獸，那么這只巨獸在大部分時(shí)間里處于沒(méi)有食物可吃的休眠狀態(tài),，只有少部分時(shí)間處于捕食進(jìn)餐的活躍階段,，當(dāng)食物被吃光消化后，它會(huì)再次恢復(fù)到平靜狀態(tài),。

如果星系中心的黑洞都要經(jīng)歷一次或多次從平靜狀態(tài)進(jìn)入活躍狀態(tài),、再回到平靜狀態(tài)的周期轉(zhuǎn)換，那么這些狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程,，為什么沒(méi)有被人們廣泛觀測(cè)到呢,？這是因?yàn)楹诙茨硞€(gè)狀態(tài)所持續(xù)的時(shí)間（典型時(shí)標(biāo)在百萬(wàn)年）相對(duì)于人類有限的現(xiàn)代天文觀測(cè)歷史（不足百年）來(lái)說(shuō)是非常漫長(zhǎng)的。或者說(shuō),，人類目前的觀測(cè)只能目睹整個(gè)黑洞演化歷程中某個(gè)短暫的瞬間,。

只有當(dāng)這個(gè)瞬間恰好對(duì)應(yīng)于黑洞從休眠狀態(tài)剛剛向活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)刻,，我們才有機(jī)會(huì)目睹黑洞的“蘇醒”。如果在這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)附近觀測(cè),，就既可以覆蓋到黑洞的休眠階段,，又能覆蓋到黑洞的活躍階段，而這樣的關(guān)鍵時(shí)刻自然是不易碰到的,，這或許就是黑洞之前一直沒(méi)有被人們看到的原因,。

現(xiàn)在，天文學(xué)家依然在持續(xù)關(guān)注這個(gè)超大質(zhì)量黑洞,，準(zhǔn)備利用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)它進(jìn)行更深入的后續(xù)觀測(cè)和研究,，以徹底弄清它異常活躍的原因,。這將有助于我們預(yù)測(cè)這個(gè)黑洞未來(lái)是重歸平靜還是繼續(xù)活躍,，并加深我們對(duì)星系中心超大質(zhì)量黑洞生長(zhǎng)、演化過(guò)程的認(rèn)識(shí),。